迎采動壓巷道全時段應力演化規(guī)律及變形控制技術研究

程昶堯

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

隨著煤炭資源開采強度的加大，礦井采掘銜接緊張的問題變得尤為突出。為縮短工作面的準備時間，部分礦井在本工作面回采期間即準備鄰近工作面回采巷道的掘進，這類巷道需經歷掘進開挖、鄰近工作面回采、本工作面回采多次強擾動影響，往往會表現(xiàn)出明顯的大變形特性。眾多學者[1-6]對迎采巷道的掘進時機及控制技術進行了研究，為該類巷道的安全高效掘進提供了重要保障，但是對于迎采巷道煤柱體內的應力演化規(guī)律及頂板破斷特征研究較少。因此，本文以目標礦9111進風巷的地質資料為背景，對迎采巷道區(qū)段煤柱體內的全時段應力演化規(guī)律進行研究，并提出針對性的支護優(yōu)化方案。

1 工程背景

9111工作面設計采長300 m，可采推進長度1 950 m，煤層平均厚度3.5 m，平均傾角5°.煤層直接頂以砂質泥巖和泥巖為主，老頂為粉砂巖，直接底為細粒砂巖。為保證9111工作面的正常銜接，在9110工作面回采期間需著手準備9111進風巷的開掘，所以該巷道需經歷上區(qū)段9110工作面及本工作面的兩次強采動影響。

2 地應力測試結果分析

為深入分析9111進風巷原巖應力的分布規(guī)律，采用小孔徑水壓致裂法在巷道頂板區(qū)進行了應力場測試，最大水平主應力、最小水平主應力、垂直應力的實測值分別為10.04 MPa、5.62 MPa、15.79 MPa，巷道應力場類型為σv>σH>σh.由于該巷道內垂直應力占主要優(yōu)勢，所以容易導致巷道兩幫變形量較大，工作面平面位置關系及鉆孔布設見圖1.

圖1 工作面平面位置關系及鉆孔布設圖

3 9111進風巷全時段應力演化規(guī)律研究

為研究9111進風巷在復采動壓影響下，煤柱體內的應力演化規(guī)律，本文在目標巷道與9110工作面之間的區(qū)段煤柱內施工7個鉆孔并安裝鉆孔應力計，各鉆孔間隔5 m，鉆孔深度分別為3 m、5 m、8 m、15 m、20 m、25 m、30 m，為提高監(jiān)測的準確性，各鉆孔應力計的數(shù)據(jù)具備實時存儲功能。

3.1 9110工作面回采期間巷道應力場分布特征

根據(jù)研究巷道與9110工作面相對位置關系的不同可將其分為超前采動影響段、滯后采動影響段、穩(wěn)定段。圖中橫坐標正值區(qū)表示工作面未推進到鉆孔應力計布設區(qū)，負值表示鉆孔應力計已進入工作面采空區(qū)。

由圖2可知，在超前采動段內除3 m、5 m兩個鉆孔應力計數(shù)值出現(xiàn)小幅遞增外，其余測點并未出現(xiàn)明顯變化。滯后影響段各測點的應力值開始明顯遞增，3 m鉆孔在9110工作面推過177 m后達到峰值應力，為6.9 MPa，之后一直穩(wěn)定在6.5 MPa，主要原因是在幫部錨桿、錨索支護體的聯(lián)合作用下，該段煤體內部形成了較為穩(wěn)定的承載結構單元。15～25 m鉆孔段在滯后工作面52～67 m時應力值呈小幅遞增，并在約200 m位置達到峰值，之后逐漸穩(wěn)定。30 m鉆孔在工作面推過其65 m后達到峰值應力，之后迅速回落至0 MPa，主要原因是采空區(qū)老頂沿側向產生大規(guī)模的回轉失穩(wěn)變形，造成該范圍內煤柱體塑性區(qū)發(fā)育并失去承載能力。

圖2 上區(qū)段工作面回采期間煤柱體內應力分布圖

由圖3可知，隨著工作面的不斷推進，峰值應力逐漸向煤柱體中部轉移，穩(wěn)定后的峰值應力出現(xiàn)在20 m鉆孔處，達11.9 MPa，最終巷道側向支撐壓力分布呈現(xiàn)出明顯的“單峰狀”。

圖3 監(jiān)測周期內各鉆孔穩(wěn)態(tài)應力值分布圖

3.2 9111工作面回采期間巷道應力場分布特征

由圖4可知，淺部鉆孔受9111工作面超前支承壓力的影響較大，隨著工作面與監(jiān)測區(qū)相對距離的減小，各鉆孔的應力值呈逐漸遞增的趨勢。5 m鉆孔在9111工作面回采期間應力值在2.6～3.5 MPa的低值區(qū)震蕩徘徊，主要原因是重復采動影響下該范圍內煤體塑性區(qū)發(fā)育明顯，煤柱體承載能力偏低。10～20 m鉆孔在9111工作面回采期間應力值始終比較平穩(wěn)(30 m鉆孔在上區(qū)段工作面回采過后已經失效，所以本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計將其剔除)。在整個監(jiān)測周期內應力值最高的是20 m鉆孔。

圖4 本工作面回采期間煤柱體內應力分布圖

由圖5可知，各應力監(jiān)測鉆孔穩(wěn)定后煤柱體內側向支撐壓力呈明顯的“雙峰狀”，其中主峰值區(qū)出現(xiàn)在20 m鉆孔處，次峰值區(qū)出現(xiàn)在5 m鉆孔處，分別為9.8 MPa、15.1 MPa.主峰值區(qū)的應力隨著工作面的推進呈逐漸遞增的趨勢，穩(wěn)態(tài)應力值較超前工作面169 m的位置時，增加36.5%.

圖5 監(jiān)測周期內各鉆孔穩(wěn)態(tài)應力值分布圖

4 巷道支護體系優(yōu)化及效果評價

4.1 支護體系優(yōu)化設計

由于巷道開掘處地應力較高，并且需經受9110、9111工作面兩次采動影響，所以要求施工錨桿具有足夠的強度、延伸率以及抗沖擊特性?；诖?，選用由MG500鋼材制成的D22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，根據(jù)《煤礦巷道錨桿支護技術規(guī)范》(GB/T35056-2018)，錨桿預緊力一般為錨桿屈服力的30%～60%，取95 kN(本次按錨桿桿體屈服載荷的50%進行設計)，為提高支護體的協(xié)同承載能力，各錨桿間采用W型鋼帶進行連接。每兩排錨桿間施工3根D21.6 mm×8 200 mm高強度錨索進行補強支護，張拉千斤表顯壓力不低于250 kN.

因巷道與最大水平應力呈13.6°夾角，所以巷道兩幫采用非對稱補強支護設計，在原有全錨桿支護的基礎上，區(qū)段煤柱幫側施工3根1×19S結構D21.8 mm×4 200 mm補強錨索，實體煤柱幫側以“小三花”形式布置1×7S結構D17.8 mm×4 200 mm補強錨索，以有效改善煤柱幫側3～5 m段淺部煤巖結構體的力學特性，因幫部煤體承載能力較低，可錨性較差，將幫錨索張拉預緊設計為160 kN.

4.2 現(xiàn)場工業(yè)試驗應用效果評價

為準確反應支護體系優(yōu)化后巷道圍巖的應力演化規(guī)律，通過在錨桿、錨索末端裝設電子應力計，對重復采動影響期間支護結構體的受力響應特征進行系統(tǒng)研究。

由圖6可知，錨桿應力變化較大的分界點出現(xiàn)在9110工作面推過監(jiān)測斷面-116 m的位置。主要原因是采空區(qū)頂板大結構單元的回轉、失穩(wěn)對支護體造成了較大的沖擊載荷。通過對比發(fā)現(xiàn)，頂錨桿受采動影響的應力增加幅度普遍大于幫錨桿，在9110工作面回采期間頂錨桿應力增幅達58.4%.與區(qū)段煤柱側錨桿相比，采幫側監(jiān)測錨桿在工作面回采期間應力值較小，并且在工作面推進至-149 m的位置時遞減至65.4 kN,主要原因是錨桿安裝后施加預緊力較小(僅為75 kN，低于設計要求的95 kN)，工作面回采過后難以有效抑制淺部煤巖結構體的剪切擴容變形，造成錨桿單元周圍塑性區(qū)發(fā)育范圍增大，支護體發(fā)生松動，最終導致錨桿受力降低，所以為充分調動主動支護體的承載能力，必須保證其主動預緊力達標。

圖6中錨索的應力變化趨勢與圖7錨桿相似，但是鄰近9110工作面采空區(qū)一側的幫錨索，在滯后工作面116～184 m的區(qū)間內，其應力值在219～226 kN.錨桿錨索體的應力激增點出現(xiàn)在滯后工作面110 m附近的位置，這與圖2(a)中3 m、5 m兩個淺部鉆孔應力計采集數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致。

圖6 上區(qū)段工作面回采期間支護體受力變化圖

由圖7可知，在超前9111工作面100 m附近時，錨桿、錨索的應力值遞增速率逐漸加大，這一監(jiān)測結果與圖4具有較好的一致性。說明該支護體系能夠協(xié)同作用，有效抑制工作強采動作用的影響，整個監(jiān)測周期內采幫側錨索、錨桿的最大應力值分別為278.3 kN、163 kN，而區(qū)段煤柱側錨索、錨桿的最大應力值分別為250.8 kN、64.2 kN，主要原因是在工作面重復采動影響下，區(qū)段煤柱體塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，使得錨桿、錨索支護體的可錨性變差。

圖7 本工作面回采期間支護體受力變化圖

9110工作面回采期間巷道兩幫的移近量大于頂?shù)装宓幕乜s量，在整個監(jiān)測周期內巷道變形量為原設計斷面尺寸的1.7%，在工作面推過測點175 m后巷道變形量逐漸趨穩(wěn)收斂。當9111工作面推進至距測點90～100 m時巷道變形量開始緩慢遞增，9111工作面回采對巷道的變形影響更大，頂?shù)装寮皟蓭偷囊平糠謩e為鄰近工作面回采期間監(jiān)測值的5.4倍、2.2倍，如圖8所示。

圖8 工作面重復采動影響下監(jiān)測斷面位移變化規(guī)律

5 結 語

1) 通過地應力測試結果，最大水平主應力為10.04 MPa，最小水平主應力最大值為5.62 MPa，初步判斷其應力場類型以σv>σH>σh為主，測區(qū)內垂直應力占優(yōu)勢。

2) 9110工作面回采過后區(qū)段煤柱內側向支承壓力分布呈“單峰”狀，峰值應力出現(xiàn)在20 m鉆孔處，達11.9 MPa.

3) 9111工作面回采期間，超前段3～5 m深度鉆孔應力波動較大，10～20 m鉆孔應力值始終比較平穩(wěn)，煤柱體內最終側向支承壓力分布呈“雙峰狀”，主峰值位于20 m鉆孔處，次峰值位于5 m鉆孔處。

4) 以高強度、高預應力為主要特點的非對稱錨桿、錨索聯(lián)合支護體系，能協(xié)同控制重復采動期間的巷道變形。